(57)【要約】【課題】  製造コストの増加や装置全体の大型化を抑制すると共に、数ＷクラスのＴＨｚ波を効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供すること。【解決手段】  異なる波長を有する複数のレーザ光をＴＨｚ波発生素子Ｆに入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、複数のレーザ光のうち少なくとも一つのレーザ光をパルス生成器Ｄによりパルス光とし、該パルス光を光増幅器Ｅで増幅した後に、該ＴＨｚ波発生素子Ｆに入射させることを特徴とする。  好ましくは、異なる波長を有する複数のレーザ光は、単一モードレーザ光源Ａからの単一波長光を多波長発生器Ｂに入射し、該多波長発生器Ｂから生成される複数の波長を有する光波を波長選択手段Ｃに入射して生成することを特徴とする。【選択図】図３
2007094190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる波長を有する複数のレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、
複数のレーザ光のうち少なくとも一つのレーザ光をパルス光とし、
該パルス光を光増幅器で増幅した後に、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＴＨｚ波発生装置において、異なる波長を有する複数のレーザ光は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を多波長発生器に入射し、該多波長発生器から生成される複数の波長を有する光波を波長選択手段に入射して生成することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項３】
請求項２に記載のＴＨｚ波発生装置において、該多波長発生器は、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部、往復逓倍変調器、又はＤＳＢ−ＳＣ変調器のいずれかを用いることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス光は、光スイッチ又は光変調器のいずれかで構成されるパルス生成器により生成されることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項５】
請求項４に記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス生成器は、合波された複数のレーザ光が入射される単一のパルス生成手段を有することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項６】
請求項４に記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス生成器は、各レーザ光に対応する複数のパルス生成手段を有し、各パルス生成手段により生成されるパルス光の位相を調整するための位相調整手段を有することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項７】
請求項６に記載のＴＨｚ波発生装置において、該位相調整手段は、複数のパルス生成手段に印加する電気信号の遅延回路、又はパルス生成手段により生成されたパルス光の光路上に設けられた光路長調整手段のいずれかであることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、前記複数のレーザ光はいずれもパルス光に形成されると共に、単一の光増幅器に入射されることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項９】
請求項８に記載のＴＨｚ波発生装置において、前記複数のレーザ光の該光増幅器への入射は、各レーザ光の偏波面を調整して入射することを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該光増幅器は、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のＴＨｚ波発生装置において、該光増幅器は、偏波面保持型のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該ＴＨｚ波発生素子は、ＤＡＳＴ結晶を用いることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光に形成されるレーザ光の波長は、１．５５μｍ帯であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光のパルス幅は、２０ｎｓ以下であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光の消光時に該増幅器に入射する光量が−２０ｄＢｍ以下であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光の発生周波数は、１００ｋｐ／ｓ以下であることを特徴とするＴＨｚ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＨｚ（テラヘルツ）波発生装置に関し、特に、レーザ光源を含む光源部からのレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射して、ＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＨｚ（テラヘルツ）波とは、波長が３０μｍ〜３００μｍの赤外光であると同時に、周波数としては１ＴＨｚを越える超高周波電磁波である。
ＴＨｚ波は、基礎科学分野や工学分野、さらには医用・バイオ分野などで様々な応用が期待されているものである。例えば、基礎科学分野では、理化学物質の分光による構造解明、電波・赤外天文分光科学による星間物質の発見など、工学分野では、ＴＨｚ波超高速通信（宇宙空間通信等）、地球環境センシング（各種ガス、環境物質の検出等）、半導体物質の自由電子密度及び移動度の評価、誘電体機能物質の誘電特性の評価、有機機能性ポリマーの立体構造評価、電子パッケージの内部検査など、さらには、医用・バイオ分野では、生体機能性タンパク質の構造解析、生体組織の機能イメージング、薬剤（不透明粉体ベース）の構造解析など、多岐に渡る。
【０００３】
ＴＨｚ波の発生方法としては、図１（ａ）に示す差周波発生（ＤＦＧ）を利用する方法や、図１（ｂ）に示すパラメトリック発振を利用する方法などが知られている。
差周波発生を利用する方法では、ＴＨｚ波発生素子として、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡｓ、有機ＤＡＳＴ（４−dimethylamino−N−methyl−４−stilbazolium tosylate）などによる非線形光学結晶（ＤＦＧ結晶とも言う）を用い、該ＴＨｚ波発生素子に周波数の異なる２つの光波を入射し、２つの光波の差の周波数を有する差周波により、ＴＨｚ波発生させるものである。
【０００４】
このような差周波発生方法では、異なる周波数（ω１、ω２）を有する２つの光源が必要となり、しかも、ＴＨｚ波（ω３＝ω２−ω１）を安定的に発生させるためには、両者の周波数の差を常に一定に保持することが必要となる。このためには、２つの光源から発生する光波の周波数（波長）を所定の値に高精度に維持・制御することが求められる。
さらに、２つの光源の一方を波長可変光源とし、ＴＨｚ波の周波数を可変する場合にでも、波長可変光原の周波数の変更精度が１ＧＨｚ程度であるため、ＴＨｚ波の周波数制御にも限界を生じていた。
【０００５】
他方、パラメトリック発振を利用する方法は、以下の特許文献１にも開示されているように、ＴＨｚ波発生素子として共振器内に非線形光学結晶を配置し、ＴＨｚ波発生素子に所定の周波数（ω１）を有する１つの光波を入射させ、パラメトリック効果により入射光波の周波数と共振器内の共振周波数（ω２）との差に相当する周波数のＴＨｚ波（ω３，ω１＝ω２＋ω３）を発生させるものである。
【特許文献１】特開２００２−７２２６９号公報
【０００６】
このようなパラメトリック発振方法では、差周波発生方法と比較して、光源が１つで済むという利点があるものの、依然として、光源から発生する光波の周波数（波長）を所定の値に高精度に維持・制御することが求められる。
さらに、共振器内の共振効率を高効率に維持することが必要であり、共振器を構成する反射部材（ＨＲミラー）の位置・形状を高精度に維持・制御することも求められる。
【０００７】
本出願人は、上記問題を解消し、ＴＨｚ波を安定的かつ効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することを目的とし、特に、レーザ光源の周波数変動に対しても安定であり、ＴＨｚ波の周波数を容易に変更可能であるＴＨｚ波発生装置を提供するため、特許文献２に示すＴＨｚ波発生装置を提案した。
【特許文献２】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／５３２７（出願日：平成１７年３月３１日）
【０００８】
特許文献２においては、図２に示すように、レーザ光源を含む光源部ａからのレーザ光をＴＨｚ波発生素子ｄに入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波（ｆＴ）を発生させるＴＨｚ波発生装置において、該レーザ光源ａとＴＨｚ波発生素子ｄとの間に、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部ｂと、波長選択手段ｃを配置し、該レーザ光を該光周回部に導入し、該波長選択手段により該光周回部で生成される複数の波長（ｆ０，ｆ１・・ｆｎ・・）を有する光波の中から特定の波長（ｆ０，ｆｎ）を選択し、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とする。
【０００９】
そして、ＴＨｚ波の光出力を向上させるため、ＴＨｚ波発生素子ｄの前に光増幅器を設け、ＴＨｚ波発生素子に入射するレーザ光の出力を上昇させるよう構成している。
しかしながら、光増幅器によりレーザ光の出力を１０ｍＷ〜数Ｗ程度まで増幅した場合でも、ＴＨｚ波の出力は数ｎＷ程度しか得られず、それ以上に大きな出力を得るには、光増幅器自体が極めて高価なものとなる上、装置全体が大きくなるという欠点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解消するためになされたもので、製造コストの増加や装置全体の大型化を抑制すると共に、数ＷクラスのＴＨｚ波を効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、異なる波長を有する複数のレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、複数のレーザ光のうち少なくとも一つのレーザ光をパルス光とし、該パルス光を光増幅器で増幅した後に、該ＴＨｚ波発生素子に入射させることを特徴とする。
なお、本発明における「異なる波長を有する複数のレーザ光」の発生方法は、複数のレーザ光源を用いる方法、一つのレーザ光源から多波長のレーザ光を発生する方法、単一モードレーザ光源からの光を後述する多波長発生器に入射して複数の波長を生成する方法、さらには、単一モードレーザ光源からの光を分割し、分割した一方の光を波長変換器（あるいは多波長発生器と波長選択手段選択との組合せ）で異なる波長に生成する方法など、種々の方法が利用可能である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のＴＨｚ波発生装置において、異なる波長を有する複数のレーザ光は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を多波長発生器に入射し、該多波長発生器から生成される複数の波長を有する光波を波長選択手段に入射して生成することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のＴＨｚ波発生装置において、該多波長発生器は、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部、往復逓倍変調器、又はＤＳＢ−ＳＣ変調器のいずれかを用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス光は、光スイッチ又は光変調器のいずれかで構成されるパルス生成器により生成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス生成器は、合波された複数のレーザ光が入射される単一のパルス生成手段を有することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項４に記載のＴＨｚ波発生装置において、該パルス生成器は、各レーザ光に対応する複数のパルス生成手段を有し、各パルス生成手段により生成されるパルス光の位相を調整するための位相調整手段を有することを特徴とする。
【００１７】
請求項７に係る発明は、請求項６に記載のＴＨｚ波発生装置において、該位相調整手段は、複数のパルス生成手段に印加する電気信号の遅延回路、又はパルス生成手段により生成されたパルス光の光路上に設けられた光路長調整手段のいずれかであることを特徴とする。
【００１８】
請求項８に係る発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、前記複数のレーザ光はいずれもパルス光に形成されると共に、単一の光増幅器に入射されることを特徴とする。
【００１９】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載のＴＨｚ波発生装置において、前記複数のレーザ光の該光増幅器への入射は、各レーザ光の偏波面を調整して入射することを特徴とする。
【００２０】
請求項１０に係る発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該光増幅器は、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載のＴＨｚ波発生装置において、該光増幅器は、偏波面保持型のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２に係る発明は、請求項１乃至１１のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、該ＴＨｚ波発生素子は、ＤＡＳＴ結晶を用いることを特徴とする。
【００２３】
請求項１３に係る発明は、請求項１乃至１２のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光に形成されるレーザ光の波長は、１．５５μｍ帯であることを特徴とする。
【００２４】
請求項１４に係る発明は、請求項１乃至１３のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光のパルス幅は、２０ｎｓ以下であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１５に係る発明は、請求項１乃至１４のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光の消光時に該増幅器に入射する光量が−２０ｄＢｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１６に係る発明は、請求項１乃至１５のいずれかに記載のＴＨｚ波発生装置において、パルス光の発生周波数は、１００ｋｐ／ｓ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１に係る発明により、異なる波長を有する複数のレーザ光をＴＨｚ波発生素子に入射し、該ＴＨｚ波発生素子からＴＨｚ波を発生させるＴＨｚ波発生装置において、複数のレーザ光のうち少なくとも一つのレーザ光をパルス光とし、該パルス光を光増幅器で増幅した後に、該ＴＨｚ波発生素子に入射させるため、連続光を増幅する光増幅器と比較し、光増幅特性が大きく、安価かつコンパクトなパルス光用の光増幅器が使用できるため、極めて高出力なＴＨｚ波発生装置を、製造コストの増加や装置全体の大型化を抑制しながら提供することが可能となる。
【００２８】
請求項２に係る発明により、異なる波長を有する複数のレーザ光は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を多波長発生器に入射し、該多波長発生器から生成される複数の波長を有する光波を波長選択手段に入射して生成するため、波長変動の少ない異なる波長を有する複数のレーザ光を容易に提供することが可能となる。しかも、単一のレーザ光から複数の波長光を生成するため波長間の波長差（周波数差）を所定の値に保持し易く、ＴＨｚ波発生装置ではＴＨｚ波発生素子に入射するレーザ光の周波数差により発生するＴＨｚ波の周波数が決まるため、極めて波長の安定したＴＨｚ波を発生することが可能となる。
また、波長選択手段により、複数の波長が混在した光波の中から、必要な波長を有する光波を分離し、個別に出力することが可能となるため、ＴＨｚ波の波長を容易に変更調整することも可能となる。
【００２９】
請求項３に係る発明により、多波長発生器は、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部、往復逓倍変調器、又はＤＳＢ−ＳＣ変調器のいずれかを用いるため、精密に制御された一定周波数又は一定波長の間隔を有する多数の波長の連続光を生成することが可能となる。しかも、これらの多波長発生器は、異なる波長を有する複数のレーザ光を同一の出射部から出力することが可能であるため、複数のレーザ光を合波する構成も不要となりＴＨｚ波発生装置全体をコンパクトに構成することが可能となる。
【００３０】
請求項４に係る発明により、パルス光は、光スイッチ又は光変調器のいずれかで構成されるパルス生成器により生成されるため、光増幅器に適した高速かつ安定したパルス光を生成することが可能となる。
【００３１】
請求項５に係る発明により、パルス生成器は、合波された複数のレーザ光が入射される単一のパルス生成手段を有するため、位相が一致したパルス光を安定して生成することが可能となる。特に、複数のレーザ光を同一の光増幅器やＴＨｚ波発生素子に入射させる際には、位相が一致することが不可欠であり、本発明の構成はこのような条件を容易に満足することが可能となる。
【００３２】
請求項６に係る発明により、パルス生成器は、各レーザ光に対応する複数のパルス生成手段を有し、各パルス生成手段により生成されるパルス光の位相を調整するための位相調整手段を有するため、複数のパルス生成手段により生成された各パルス光の位相を、容易に調整することが可能となると共に、複数のレーザ光を同一の光増幅器やＴＨｚ波発生素子に入射させる際に位相を一致させることも可能となる。
【００３３】
請求項７に係る発明により、位相調整手段は、複数のパルス生成手段に印加する電気信号の遅延回路、又はパルス生成手段により生成されたパルス光の光路上に設けられた光路長調整手段のいずれかであるため、電気回路又は光学的構成などにより容易に位相を調整することが可能となる。
【００３４】
請求項８に係る発明により、複数のレーザ光はいずれもパルス光に形成されると共に、単一の光増幅器に入射されるため、一つの光増幅器で複数のレーザ光を増幅することが可能となり、高価な光増幅器の数を減少できるだけでなく、例えば、単一の光増幅器からの出力光を一本の光ファイバを用いてＴＨｚ波発生素子に入射させるだけで、容易にＴＨｚ波を発生させることが可能となる。
【００３５】
請求項９に係る発明により、複数のレーザ光の該光増幅器への入射は、各レーザ光の偏波面を調整して入射するため、例えば、２種類のレーザ光を直交した偏波面として入射させ、各レーザ光の増幅率を共に大きく維持することが可能となる。
【００３６】
請求項１０に係る発明により、光増幅器は、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であるため、パルス光を数十ｋＷまで増幅することが可能となり、結果として数ＷクラスのＴＨｚ波を効率的に発生することが可能となる。
【００３７】
請求項１１に係る発明により、光増幅器は、偏波面保持型のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器を用いるため、ＴＨｚ波発生素子に光増幅器からの出力を入射する際に、偏波面の調整が容易になる。
【００３８】
請求項１２に係る発明により、ＴＨｚ波発生素子は、ＤＡＳＴ結晶を用いるため、異なる波長を有する複数のレーザ光を同軸で入射することにより容易にＴＨｚ波を発生させることが可能となる。また、１本の光ファイバからの直接入射が可能となり、ＴＨｚ波発生装置の光学系を簡素化することも可能となる。
【００３９】
請求項１３に係る発明により、パルス光に形成されるレーザ光の波長は、１．５５μｍ帯であるため、市販されている光増幅器の中でも増幅率が高い割りに安価な光増幅器を使用することが可能となる。
【００４０】
請求項１４に係る発明により、パルス光のパルス幅を、２０ｎｓ以下、より好ましくは１０ｎｓ以下とすることにより、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器などの光増幅器の増幅機能を十分に発揮させることが可能となり、極めて高出力のＴＨｚ波を発生することが可能となる。
【００４１】
請求項１５に係る発明により、パルス光の消光時に該増幅器に入射する光量を−２０ｄＢｍ以下、より好ましくは−３０ｄＢｍ以下とすることにより、パルス光の消光時に増幅器で蓄積されるエネルギー・ロスを押さえ、パルス光が増幅器に入射された際の増幅率を、高出力で安定に保持することが可能となる。
【００４２】
請求項１６に係る発明により、パルス光の発生周波数は、１００ｋｐ／ｓ以下、より好ましくは２０ｋｐ／ｓ以下であるため、パルス光の消光時に増幅器で蓄積されるエネルギー量を高め、パルス光が増幅器に入射された際の増幅率を、高出力で安定に保持することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
図３は、本発明に係るＴＨｚ波発生装置の基本的概念を示す図である。
ＴＨｚ波発生装置は、主な構成部品として、光源Ａ、多波長発生器Ｂ、波長選択手段Ｃ、パルス生成器Ｄ、光増幅器Ｅ、及びＴＨｚ波発生手段Ｆを有している。光源Ａから光増幅器Ｅまでは、ＴＨｚ波発生手段Ｆに入射する異なる波長（周波数ｆ０，ｆｎ）を有する２つのレーザ光を生成する手段であり、特に本発明においては、光増幅器Ｅの増幅特性を最大限に活用するため、光源Ａから波長選択手段Ｃまでにより生成された異なる波長を有する複数のレーザ光の少なくとも一つのレーザ光をパルス発生器Ｄによりパルス光に成形し、光増幅器Ｅに入射させるよう構成している。
【００４４】
光源Ａには、単一モードレーザ光源などの単一の波長を安定的に発生するレーザ光源が好適に用いられる。光源Ａは、半導体レーザやガスレーザなど多様な光源が利用可能であり、さらに、波長可変レーザ光源を用いて光源の波長を調整可能に設定することも可能である。また、光源Ａは、一つのレーザ光源で構成するだけで無く、異なる波長を有する複数の光源から構成することも可能である。この場合は、多波長発生器Ｂ及び波長選択手段Ｃを省略することが可能となる。
また、光源部Ａには、レーザー光源にレーザー光が再入射しないように、出射光の光路上にアイソレータを配置したり、光源部Ａから出射する光波の偏波面を整えるため、偏波コントローラをレーザー光の光路上に配置することも可能である。
【００４５】
多波長発生器Ｂには、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部、往復逓倍変調器、又はＤＳＢ−ＳＣ変調器などが利用可能であり、これらは、精密に制御された一定周波数又は一定波長の間隔を有する多数の波長の連続光を生成することが可能である。
ＳＳＢ光変調器を含む光周回部とは、特許文献２に示したように、伝播する光波が周回状の光路を形成すると共に、該周回の光路上に単一側波帯（Single Side Band、ＳＳＢ）光変調器を配置したものである。
【００４６】
下記の非特許文献１にも詳述されているように、ＳＳＢ光変調器は、通常の信号発生器からマイクロ波が印加されて動作する。
例えば、このマイクロ波の周波数をｆとすると、ＳＳＢ光変調器に入射した光は周波数がｆだけシフトする。図３に示すように入射光の周波数ｆ０は、ＳＳＢ光変調器を通過した後、出力光の周波数はｆ１＝ｆ０＋ｆとなる。この出力光のことを側波帯スペクトルという。
このように、ＳＳＢ光変調器は光の周波数シフターとして動作する。
なお、ＳＳＢ光変調器へのマイクロ波の加え方により、出力光の周波数をｆ０−ｆのようにマイナス方向にシフトさせることも可能である。
【非特許文献１】論文「ＸカットＬｉＮｂＯ３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート  ２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）
【００４７】
光周回部において、光ファイバーや基板上に形成した導波路、または、レンズ、ミラーなどの光学部品を利用して、伝播する光波が周回状の光路を描くように設定すると共に、周回する光路上にＳＳＢ光変調器を配置する。
ＳＳＢ光変調器を含む光周回部においては、最初に光周回部を伝播する光波の周波数をｆ０（０回周回）をすると、１回目にＳＳＢ光変調器を通過した光波の周波数は、ｆ１＝ｆ０＋ｆ（１回周回）となる。同様に２回目、３回目は、ｆ２＝ｆ０＋２ｆ、ｆ３＝ｆ０＋３ｆとなり、同一の周波数間隔ｆで、多数の波長を有する光波を生成することが可能となる。
【００４８】
ＳＳＢ光変調器を含む光周回部には、光源部Ａから特定の波長を持つ光波が連続的に供給されているため、光周回部の光路上には、多数の波長を持つ光波が同時に存在することとなる。
一般に、ＳＳＢ光変調器により生成される側波帯スペクトルは、ＳＳＢ光変調器に入力される光波と比較し、光強度が低下する。このため、光周回部の周回する光路上には、光増幅器を配置することにより、側波帯スペクトルの光強度の低下を補い、多波長光源として利用可能な光強度を確保している。
【００４９】
さらに、光周回部の周回する光路上には、波長選択手段Ｃにより選択される光波の波長に対応して、光フィルタを設けることができる。
この光フィルタの透過波長の範囲を、分波素子により分波可能な波長範囲と一致させることにより、光周回部を周回する光波の波長を限定し、必要な波長範囲以外の光波を生成することがなく、最終的に多波長光源から出射する光波に含まれるノイズを抑制することが可能となる。
【００５０】
また、光周回部の周回する光路上には、ＳＳＢ光変調器に逆方向から再入射する光波を抑制するためのアイソレータや、ＳＳＢ光変調器の変調効率が高くなるように光波の偏波面を調整するための偏波コントローラを配置することも可能である。
【００５１】
往復逓倍変調器とは、特許文献３に示すように、マッハツェンダー型光導波路を有する光変調器の分岐導波路を挟むように、分岐前及び合波後の光導波路にファイバ・グレーティング（ＦＢＧ）を形成し、ＦＢＧ間で光波を反射することで、所定の周波数間隔を有する多数の波長を有する光波を生成することが可能となる。
また、ＤＳＢ−ＳＣ（Dual Side Band with Suppressed Carrier）変調器とは、特許文献４に示すように、マッハツェンダー型の光変調器を利用し、光変調器に入射する光波の周波数ｆ０に変調周波数ｆを付加した周波数ｆ０±ｆを有する２つの光波のみを出力するよう構成された変調器である。
【特許文献３】特許第３４０４５２８号公報
【特許文献４】Hiroyuki Furuta, etal.,"Optical Injection Locking of a 38-GHz-Band InP-Based HEMT Oscillator Using a 1.55-μm DSB-SC Modulated Lightwave",IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, Vol.11,No.01,January 2001
【００５２】
次に、波長選択手段Ｃについて説明する。
波長選択手段の役割は、多波長発生器Ｂから出射される異なる波長を有する複数のレーザ光の中から、特定の波長を有するレーザ光を選択するために設けられたものである。
波長選択手段は、誘電体膜で形成される誘電体膜フィルタ、光ファイバーグレーティング（ＦＢＧ）などの特定波長を選択できるものであれば特に限定されるものではない。また、波長選択手段は選択される波長が固定されたものでもいいが、エタロン、回折格子などのように、任意の波長が選択できる可変タイプを用いることも可能である。
【００５３】
パルス波発生器Ｄは、光スイッチ又は光変調器など、伝搬する光波の強度を変更可能なものであれば特に限定されないが、光増幅器の特性に合わせて高速かつ安定したパルス光を生成するものが好ましい。光スイッチ又は光変調器は、電気信号で駆動され、高速動作が可能であることから、本発明のＴＨｚ波発生装置には好適に用いられる。
【００５４】
光増幅器には、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）が好適に利用可能である。ＥＤＦＡは、１．５５μｍ帯のパルス光（数ｍＷ程度）であるなら数十ｋＷまで増幅することが可能であり、本発明のＴＨｚ波発生装置に用いることで、数ＷクラスのＴＨｚ波を効率的に発生する。
【００５５】
また、本発明においては、ＥＤＦＡなどの光増幅器の増幅機能を安定かつ十分に発揮するためには、パルス光のパルス幅が２０ｎｓ以下、より好ましくは１０ｎｓ以下であり、パルス光の消光時に増幅器に入射する光量が−２０ｄＢｍ以下、より好ましくは−３０ｄＢｍ以下とすることが必要である。
パルス幅が２０ｎｓを超えると、増幅器からの出力を高出力かつ安定に維持することが困難となり、また、パルス光の消光時の入射光量が−２０ｄＢｍを越えると、消光時に増幅器で蓄積されるエネルギーの損失が大きくなり、パルス光が入射した際に十分な増幅機能を発揮することが困難となる。
【００５６】
さらに、パルス光の発生周波数は、１００ｋｐ／ｓ（kilo-pulse per second）以下、より好ましくは２０ｋｐ／ｓ以下とすることにより、パルス光の消光時の時間を十分に確保し、増幅器で蓄積されるエネルギー量を高め、パルス光が増幅器に入射された際の増幅率を、高出力で安定に保持することが可能となる。
【００５７】
また、偏波面保持型のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器を用いることにより、ＴＨｚ波発生素子に光増幅器からの出力を入射する際に、偏光子などの偏波面を調整する手段を不要にし、偏波面の調整を容易に行うことが可能となる。
【００５８】
ＴＨｚ波発生素子は、上述したような、差周波発生を利用するＴＨｚ波発生素子が好適に利用可能である。具体的には、ＬｉＮｂＯ３、ＧａＡｓ、有機ＤＡＳＴなどによる非線形光学結晶を利用する。
ＴＨｚ波発生素子の動作は、図１（ａ）のように、異なる周波数を有する２つの光波を非線形光学結晶に入射することにより、該２つの光波の周波数の差に相当する周波数を有するＴＨｚ波を発生する。このようなＴＨｚ波発生素子は、異なる波長を有する複数のレーザ光を１本の光ファイバを用いて同軸で直接入射することも可能であるため、ＴＨｚ波発生装置の光学系をより簡素化できる。
【００５９】
上述した光源Ａ、多波長発生器Ｂ、波長選択手段Ｃ、パルス生成器Ｄ、光増幅器Ｅ、及びＴＨｚ波発生手段Ｆは、全て光ファイバを用いて光学的に相互接続することができ、ＴＨｚ波発生装置全体を小型化できると共に、外乱に強く安定動作が可能となる。
また、光源Ａと多波長発生器Ｂの光周回部とを結合する光結合器を、該光周回部と波長選択手段Ｃとを結合する光結合器とを共用し、光学部品の利用点数を削減することも可能である。このような光結合器には、光ファイバーカップラや、光サーキュレータと光ファイバーグレーティングとの組み合わせなどが利用できる。
【００６０】
本発明のＴＨｚ波発生装置が発生するＴＨｚ波の出力に特に大きな影響を与える部品は、光増幅器であることを考慮すると、１．５５μｍ帯のパルス光に対しては比較的安価かつ小型のＥＤＦＡが市販されていることから、１．５５μｍ帯のレーザ光を利用するように、光源Ａ、多波長発生器Ｂ、波長選択手段Ｃ、パルス生成器Ｄ、光増幅器Ｅ、及びＴＨｚ波発生手段Ｆの部品を選択することが好ましい。これにより、装置の製造コストを削減でき、装置全体をコンパクトに構成することも可能となる。
【００６１】
次に、図３のＴＨｚ波発生装置の基本的動作について説明する。
光源Ａから出射する光波（周波数ｆ０）を、多波長発生器Ｂに入射し、多波長発生器Ｂから出射する異なる波長（周波数ｆ０，ｆ１，ｆ２，・・ｆｎ・・）を有する複数のレーザ光を発生させる。波長選択手段Ｃにより、多波長発生器Ｂから出射する光波の中から特定の波長（周波数ｆ０，ｆｎ）を有するレーザ光を選択する。
【００６２】
特定波長のレーザ光は、パルス光発生器Ｄでパルス光に形成され、パルス光の位相を合わせた状態で光増幅器Ｅに入射し、増幅作用を受ける。増幅された２つのパルス光（周波数ｆ０，ｆｎ）は、ＴＨｚ波発生素子Ｆに入射し、２つの光波の周波数の差に等しい周波数（ｆＴ＝ｆｎ−ｆ０）を有するパルス状の光波（ＴＨｚ波）がＴＨｚ波発生素子Ｆから出射される。差周波発生型ＴＨｚ波発生素子においては、出力されるＴＨｚ波の強度は、ＴＨｚ波発生素子に入力される、異なる周波数を有する２つの光波の各強度の積に比例するため、２つの光波の光強度を共に増幅することにより、出力されるＴＨｚ波の光強度を大幅に高めることができる。
【００６３】
以下では、本発明に係るＴＨｚ波発生装置の各種の実施例について説明する。
以下の説明では、光源Ａとして単一モードレーザ光源（ＬＤ）、多波長発生器ＢとしてＳＳＢ光変調器を含む光周回部、波長選択手段Ｃとしてフィルタ（Filter）、パルス生成器Ｄとして光スイッチ（ＳＷ）、光増幅器Ｅとしてエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）、及びＴＨｚ波発生手段ＦとしてＤＡＳＴ結晶（ＤＡＳＴ）用いた例を中心に説明するが、上述したように各部品を他の公知の技術に置き換えること可能であることは言うまでもない。
【００６４】
図４は、本発明のＴＨｚ波発生装置に係る第1の実施例を示す。
第１の実施例は、レーザ光源（ＬＤ）１から出射した光をＳＳＢ光変調器を含む光周回部２で多波長のレーザ光に変換し、フィルタ３で２つの特定波長の光波を選択する。選択された２つの光波は、光スイッチ（ＳＷ）４で、同位相のパルス光に形成され、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）５に導入される。
【００６５】
ＥＤＦＡで増幅された異なる波長を有する２つのパルス光は、ＤＡＳＴ結晶（ＤＡＳＴ）６に入射し、ＴＨｚ波（ｆＴ）を発生する。ＤＡＳＴに入射する光波は偏波面を制御する必要があるため、ＥＤＦＡ５とＤＡＳＴ６との間には偏光子が配置される。
【００６６】
図５は、本発明のＴＨｚ波発生装置に係る第２の実施例を示す。
ＬＤ１から出射した光波を２つに分岐し、一方の光波（周波数ｆ０）をＤＡＳＴ６に直接入射させる。他方の光波は、第１の実施例と同様に、ＳＳＢ光変調器を含む光周回部２及びフィルタ３により、周波数ｆ０と異なる波長（周波数ｆｎ）を有する光波に変換され、ＳＷ４でパルス光に形成された後、ＥＤＦＡ５で増幅される。
【００６７】
ＬＤ１から直接入射する光波（周波数ｆ０）とＥＤＦＡ５により増幅されたパルス光（周波数ｆｎ）は、合波され、偏波面を調整された後、ＤＡＳＴ６に入射する。
周波数ｆ０の光波は連続光であり、周波数ｆｎの光波はパルス光であるが、ＤＡＳＴ６においてパルス状のＴＨｚ波を発生することが可能である。
また、第２の実施例の周波数ｆ０の光波を、ＬＤ１から分岐して発生させるのではなく、ＬＤ１と異なる他のレーザ光源を用意することも可能である。さらに、必要に応じ周波数ｆ０の光波についても光増幅器を介在させて、増幅した光波をＤＡＳＴ６に導入するよう構成することも可能である。
【００６８】
図６は、本発明のＴＨｚ波発生装置に係る第３の実施例を示す。
第３の実施例においては、周波数ｆ０とｆｎとの２つの光波を生成するまでは、第２の実施例と同様であるが、２つの光波を増幅させるため、２つの光波を合波しＳＷ４によりパルス光に形成し、ＥＤＦＡ５により増幅している。各光波毎にＳＷやＥＤＦＡを設けることも可能であるが部品点数の削減のために、両者を共用することが好ましい。
【００６９】
第３の実施例のように、異なる波長を有する２つの光波を、同一のパルス光発生器で同時にパルス光に形成する際には、スイッチング特性が光波の波長に依存しない方法を採用する必要がある。例えば、高速性（１０ｎｓ以下のパルス発生）を兼ね備えた変調器として、市販の光デジタル通信用のマッハツェンダー干渉型高速光変調器が使用可能である。高消光比の観点から、特許文献５に示すような高消光比変調器が望ましい。
また、２つの光波を単一のＥＤＦＡで増幅する際には、各光波の増幅率にバラツキが生じ易い。この問題を解消するには、２つの光波を同一偏波又は互いに直交させた偏波状態で、偏波面保持ファイバー型のＥＤＦＡに入射する。
【特許文献５】日隈薫  他，「光ＦＳＫ変調器を応用した高消光比変調器の波長特性」，電子情報通信学会，２００５年ソサイエティ大会（北大）論文集Ｃ−３−２
【００７０】
図７は、本発明のＴＨｚ波発生装置に係る第４の実施例を示す。
第４の実施例は、第３の実施例のように２つの光波を生成した後、各光波を別々にパルス光に形成するものを示したものである。なお、２つの光波の生成方法は、第３の実施例のものに限らず、異なる波長の光波を発生する２つのレーザ光源を用いたり、多波長発生器から出力される多数の光波の中から特定波長の光波を別々の光路上に取り出す方法など、各種の方法により行うことが可能である。
【００７１】
２つの光波（周波数ｆ０とｆｎ）を別々にパルス化し、単一のＥＤＦＡ５に導入するには、パルス化された光波Ｐ（ｆ０）とＰ（ｆｎ）の位相を一致させる必要がある。パルス光の位相を一致させる方法としては、図７（ａ）のように、光スイッチ（ＳＷ）４，４’の動作タイミングを一致させるため、各ＳＷを駆動する駆動信号１０の信号回路の一部に、１１の遅延回路を設ける方法がある。
また、他の位相一致方法としては、図７（ｂ）のように、ＳＷでパルス化された光波Ｐ（ｆ０）とＰ（ｆｎ）との各光路上のいずれかに光路長調整手段１２を設ける方法もある。光路長調整手段は、光ファイバ長の調整や、１／２波長板など光波の遅延を生じる光学素子の挿入など各種の機構を適用することが可能である。
【００７２】
図８は、本発明のＴＨｚ波発生装置に係る第５の実施例を示す。
第５の実施例は、パルス化された２つの光波Ｐ（ｆ０）とＰ（ｆｎ）とをＤＡＳＴ６に導入する方法の応用例を示したものである。図８（ａ）では、各光波毎にＥＤＦＡを設け、増幅されたパルス光を光カプラーなどで合波し、ＤＡＳＴ６に導入する方法を示す。
また、図８（ｂ）では、第４の実施例（図７）と同様に、パルス化された２つの光波Ｐ（ｆ０）とＰ（ｆｎ）とを合波し、ＥＤＦＡに導入する方法を示したものである。
【００７３】
図８（ｂ）の方式では、例えば、予め２つの光波の偏波面が直交するように調整し、偏波面保持ファイバ２０を用いてＥＤＦＡ５に導入することにより、ＥＤＦＡにおける２つの光波の増幅率を同じになるよう調整することも可能となる。ただし、ＤＡＳＴ６には、２つの光波の偏波面を一致させる必要があるため、偏波面調整手段をＥＤＦＡ５とＤＡＳＴ６との間に配置する必要がある。偏波調整手段としては、光フィルタで分岐し、一方の光を波長板にて偏波回転させる方法や、特許文献６のような狭帯域型偏波コントローラを用いる方法などがある。
【特許文献６】R.C.Alferness, etal.,"Electro-optic waveguide TE←→TM mode  converter with low drive voltage",OPTICS LETTERS, Vol.5,No.11,November 1980
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上説明したように、本発明によれば、製造コストの増加や装置全体の大型化を抑制すると共に、数ＷクラスのＴＨｚ波を効率的に発生可能なＴＨｚ波発生装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】ＴＨｚ波の発生原理を示す図である。
【図２】特許文献２に記載のＴＨｚ波発生装置を示す概略図である。
【図３】本発明のＴＨｚ波発生装置の基本的概念図である。
【図４】本発明に係る第１の実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る第２の実施例を示す図である。
【図６】本発明に係る第３の実施例を示す図である。
【図７】本発明に係る第４の実施例を示す図である。
【図８】本発明に係る第５の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
Ａ  光源
Ｂ  多波長発生器
Ｃ  波長選択手段
Ｄ  パルス生成器
Ｅ  光増幅器
Ｆ  ＴＨｚ波発生素子
１  レーザ光源
２  ＳＳＢ変調器を有する光周回部
３  フィルタ
４  光スイッチ
５  ＥＤＦＡ
６  ＤＡＳＴ
１０  駆動信号
１１  遅延回路
１２  光路長調整手段
２０  偏波面保持ファイバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2007094190.tif 000008
【図７】
2007094190.tif 000009
【図８】
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